基于嵌入式Linux的無(wú)紙記錄儀通信設計

　　在工業(yè)自動(dòng)化控制系統中，記錄儀起著(zhù)十分重要的作用，它可以實(shí)時(shí)采集、監測和記錄一些影響工藝過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數，被廣泛應用于石化、冶金、電力、機械、醫藥、輕工業(yè)等行業(yè)。隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，記錄儀已從傳統的有紙模擬式發(fā)展到如今的無(wú)紙數字式[1]。與傳統的有紙記錄儀相比，無(wú)紙記錄儀無(wú)機械磨損、顯示直觀(guān)、使用方便、故障率低和設備耗材少，因此被越來(lái)越多的應用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

　　隨著(zhù)工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的高速發(fā)展，企業(yè)對無(wú)紙記錄儀提出了越來(lái)越高的要求，基于8位單片機的無(wú)紙記錄儀的功能已遠遠達不到用戶(hù)的要求。嵌入式ARM微處理核的32位RISC處理器以其強大的性能豐富的接口以及優(yōu)異的性?xún)r(jià)比等諸多優(yōu)勢，而被越來(lái)越多的應用于無(wú)紙記錄儀，隨著(zhù)硬件的改進(jìn)，傳統的串行通訊方法也迫切需要改進(jìn)，因此本文提出了基于嵌入式Linux的串口通信方案。嵌入式Linux操作系統是在標準Linux的基礎上針對嵌入式系統進(jìn)行內核裁剪和優(yōu)化后形成[2]，它繼承了Linux的開(kāi)放源代碼、多任務(wù)、穩定性高，內核可裁剪等諸多優(yōu)點(diǎn)，其內核精簡(jiǎn)而高效,具有非常好的網(wǎng)絡(luò )性能。本文將使用嵌入式Linux作為無(wú)紙記錄儀上位機操作系統，并利用其多線(xiàn)程編程技術(shù)實(shí)現上位機與下位機的串口通信。

　　1 記錄儀中的通信協(xié)議

　　由于無(wú)紙記錄儀主要在過(guò)程控制現場(chǎng)或監控室中使用，與之進(jìn)行通信的現場(chǎng)設備接口以串口居多，因此在該裝置的開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用十分通用的MODBUS協(xié)議作為串口通信協(xié)議。MODBUS協(xié)議是MODICON公司于1979年為建立智能設備間的主從式通信而開(kāi)發(fā)的一種通信協(xié)議，它規定在一個(gè)系統中，每次命令應由系統中主設備發(fā)起，從設備通過(guò)解析地址位決定是否應答[3]。該協(xié)議具有兩種報文傳送幀格式，ASCII和RTU報文幀格式，分別如圖1和圖2所示。

圖1 ASCII報文幀格式

圖2 RTU報文幀格式

　　將兩種報文傳送幀格式異同總結如表1。由表1可知，兩種報文幀格式各有優(yōu)劣：ASCII格式使用的字符是RTU格式的兩倍，但ASCII格式數據的譯碼和處理更為容易一些；使用RTU報文幀格式傳輸數據時(shí)，報文字符必須以連續數據流的形式傳送，而使用ASCII格式，字符之間允許長(cháng)達1s的時(shí)間間隔。

表1 ASCII與RTU報文幀格式比較

　　通常情況下，在一個(gè)MODBUS網(wǎng)絡(luò )中只采用一種報文幀格式進(jìn)行數據交換。但在一些特殊情況下，同一系統中需要用到不同傳輸模式的控制器，即同時(shí)采用兩種報文幀傳輸格式。為了使無(wú)紙記錄儀具有更強的通用性，本文提出了一種新的可同時(shí)使用兩種報文幀格式的串口通信方案。在以下闡述過(guò)程中， 以ASCII和RTU報文幀格式傳輸的數據將分別簡(jiǎn)稱(chēng)為ASCII和RTU數據。

　　2 記錄儀的通信實(shí)現

　　2.1 整體設計

　　無(wú)紙記錄儀主要通信對象為工業(yè)現場(chǎng)設備，因此通信過(guò)程中數據交換應快速、準確無(wú)誤。在MODBUS協(xié)議中，ASCII與RTU數據打包與解碼均不相同，數據讀寫(xiě)方面需要獨立起來(lái)。串口通信功能框架如圖3所示。

圖3 串口通信功能框架圖

　　設備注冊?huà)呙枘K主要負責設備地址表的維護，每間隔一定時(shí)間掃描在線(xiàn)設備，并記錄下設備地址和使用的報文幀格式，同時(shí)根據掃描得到信息動(dòng)態(tài)開(kāi)辟ASCII和RTU數據緩存區。ASCII數據讀寫(xiě)模塊負責打包和解碼ASCII數據，RTU數據讀寫(xiě)模塊負責打包和解碼RTU數據。數據發(fā)送模塊根據優(yōu)先級排列好打包好的數據依次發(fā)送。數據接收模塊僅解碼下位機儀表每次傳回數據的首位，判斷是RTU數據還是ASCII數據，存入RTU或ASCII數據緩存區，以待處理。

　　為了實(shí)現ASCII與RTU數據的共存，首要問(wèn)題是每次設備掃描注冊時(shí)對使用ASCII和使用RTU數據的設備加以區分。由ASCII和RTU的報文幀格式可知，傳輸數據首位是判斷數據類(lèi)型的關(guān)鍵，所以使用RTU報文幀格式的設備地址需避開(kāi)ASCII數據的起始位和結束符。在未知在線(xiàn)設備情況下，上位機將所有設備地址輪詢(xún)一遍，解析接收數據首位，如果是ASCII的起始位，則ASCII設備注冊，反之，則RTU設備注冊。

　　2.2 編程實(shí)現

　　軟件實(shí)現上，采用Linux的多線(xiàn)程編程技術(shù)，可以更好的滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)性要求。多線(xiàn)程程序采用多任務(wù)、并發(fā)的工作方式[4]，可以提高應用程序響應時(shí)間并且改善程序結構。Linux操作系統中提供了Linuxthread 庫[5],它實(shí)現了符合POSIX1003.1c標準的多線(xiàn)程支持,而且是內核級方式。